唐廣瑜，金鑫琨

（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610000）

0 引言

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電氣自動(dòng)化設(shè)備資源管理系統(tǒng)其本質(zhì)上是一種以繼電器、PLC設(shè)施為核心的電氣控制系統(tǒng)，是在原有DCS集散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種更加高效的電氣系統(tǒng)管理技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制具有高效、精準(zhǔn)、快捷的特點(diǎn)，因此在現(xiàn)代工廠自動(dòng)化生產(chǎn)和管理中應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。

本文以基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電氣自動(dòng)化設(shè)備資源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次為依據(jù)，在總線控制系統(tǒng)簇級(jí)結(jié)構(gòu)中找到各結(jié)構(gòu)的運(yùn)行機(jī)制以及優(yōu)化設(shè)置方法，期待為總線控制系統(tǒng)構(gòu)建提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電氣自動(dòng)化設(shè)備資源管理系統(tǒng)的特征

基于總線的電氣自動(dòng)化設(shè)備資源管理系統(tǒng)是在傳統(tǒng)工廠DSC集散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種電氣系統(tǒng)控制技術(shù)，其是現(xiàn)代信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)電氣控制技術(shù)結(jié)合后的產(chǎn)物。利用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電氣自動(dòng)化設(shè)備資源管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車(chē)間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信，從而有利于實(shí)現(xiàn)工廠基層生產(chǎn)單元到控制層的智能化管理與控制[2]。

本文參考Profibus-DP標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)現(xiàn)階段生產(chǎn)中較常見(jiàn)的總線控制系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制和構(gòu)建方法進(jìn)行分析，為我國(guó)電氣自動(dòng)化和工廠設(shè)備管理優(yōu)化提供經(jīng)驗(yàn)參考和技術(shù)支持。

2 設(shè)備控制與管理

圖1 現(xiàn)場(chǎng)總線的電氣自動(dòng)化設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備控制與管理需要根據(jù)設(shè)備的類(lèi)型和功能性特征作出相應(yīng)調(diào)整，從電氣控制角度來(lái)看，工廠生產(chǎn)設(shè)備可分為三大類(lèi)。第一類(lèi)是僅需要簡(jiǎn)單控制的設(shè)備，這些設(shè)備只需要啟動(dòng)和停止控制即可，如皮帶運(yùn)輸機(jī)、除塵器等，這些設(shè)備不需要過(guò)于復(fù)雜的控制程序，無(wú)變頻設(shè)計(jì)只需要啟?？刂?。第二類(lèi)是需要速度調(diào)控的設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、傳送帶等，這些設(shè)備需要根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，具有復(fù)雜的變頻設(shè)定，以便隨時(shí)調(diào)整設(shè)備參數(shù)以保證生產(chǎn)秩序。第三類(lèi)是自成系統(tǒng)的設(shè)備，這類(lèi)設(shè)備自身就搭載控制程序，現(xiàn)場(chǎng)控制的主要目的是監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)而非控制設(shè)備運(yùn)行，即使不加入總線控制，這些設(shè)備在接通電源后也可穩(wěn)定運(yùn)行[3]?，F(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備資源管理系統(tǒng)主要針對(duì)的是前兩類(lèi)工作設(shè)備，第三類(lèi)通常無(wú)需納入總線控制系統(tǒng)，即使納入總線控制系統(tǒng)大多數(shù)情況下僅是針對(duì)設(shè)備的啟動(dòng)和停止進(jìn)行控制，本文就前兩類(lèi)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線控制與管理系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

從工廠作業(yè)實(shí)況來(lái)看，想要建立一個(gè)能夠控制現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的電氣控制系統(tǒng)，這個(gè)控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足以下個(gè)功能性需求：（1）能夠有效傳遞啟停指令。（2）能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行參數(shù)作出調(diào)整和控制。（3）能夠及時(shí)將設(shè)備運(yùn)行參數(shù)上傳至控制中心。因此現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備資源管理系統(tǒng)的工作結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)如下上位機(jī)（中央控制設(shè)備）—PLC—控制器—（獨(dú)立控制器）—現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電氣自動(dòng)化設(shè)備資源管理系統(tǒng)的基本管理與控制結(jié)構(gòu)，這套電氣自動(dòng)化設(shè)備資源管理系統(tǒng)的構(gòu)建也需要在這基層結(jié)構(gòu)上做設(shè)計(jì)和調(diào)整[4]。

3 控制器-現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由控制器直接控制，控制器由PLC控制，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)終端設(shè)備則為上位機(jī)，控制所有下層PLC單元，這是各結(jié)構(gòu)的定位和分工。在生產(chǎn)作業(yè)中，控制器控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有兩種接線類(lèi)型，一種為就地控制另一種就是總線控制，其中總線控制是本文研究的主要內(nèi)容。

總線控制又叫遠(yuǎn)程控制，具體來(lái)說(shuō)就是總線控制的控制和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不在同一空間，中央控制器（上位機(jī)）通過(guò)DP線路向控制器發(fā)送指令，控制器通過(guò)比對(duì)運(yùn)行參數(shù)找到變動(dòng)指令，然后作出相應(yīng)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作的調(diào)整，達(dá)到總線控制的目的。

通?？刂破骱同F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在同一物理空間，控制器的功能通過(guò)變頻輸出實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行調(diào)整時(shí)可能出現(xiàn)波動(dòng)或受到干擾引起控制指令異常，導(dǎo)致設(shè)備故障。因此在總線電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中控制器-現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備這一環(huán)節(jié)的關(guān)鍵是處理好控制器變頻輸出時(shí)能夠不受外部干擾穩(wěn)定切換、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，即無(wú)擾切換。在建立總線設(shè)備資源管理器之前，總線控制可通過(guò)就地切換繼電器與主回路接觸器的通斷時(shí)間差來(lái)避免切換瞬間的運(yùn)行回路斷電，在總線設(shè)備資源管理器中我們需要考慮的核心問(wèn)題就是切換時(shí)的順暢程度。這里就不得不提到幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，一個(gè)是頻率給定值SV，另一個(gè)就是頻率反饋值SV。在總線控制中SV提示的是MV通過(guò)操作器輸出的自變值，如果保證總線設(shè)置的變頻器頻率和輸出自變值保持一致，那么在切換的瞬間輸出信號(hào)和反饋信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)互動(dòng)，可快速通過(guò)PLC的識(shí)別并作出動(dòng)作調(diào)整，反之亦然，因此調(diào)控SV和MV值的一致性就是總線控制線路中確?？刂破髂軌蚓珳?zhǔn)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的關(guān)鍵所在[5]。

4 PLC-控制器

PLC通過(guò)控制控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，通常工廠控制器是由軟啟動(dòng)器、變頻器、保護(hù)裝置等單元組成的設(shè)備，能否穩(wěn)定作業(yè)并精準(zhǔn)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制器的電壓、頻率、電流、功率因數(shù)等有關(guān)，而控制器的工作參數(shù)主要受到PLC的限制與調(diào)整，因此在總線控制系統(tǒng)中可通過(guò)調(diào)整PLC來(lái)穩(wěn)定控制器工作參數(shù)，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。我們需要根據(jù)控制器的組成單元進(jìn)行分別設(shè)定，如啟停裝置需要設(shè)置啟停模式、慣性、斜坡、加減速時(shí)間、信號(hào)源、頻率源、反饋信息等，保護(hù)裝置則可以設(shè)定警報(bào)閾值來(lái)確定保護(hù)裝置的生效模式、生效效果、生效動(dòng)作等，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控與保護(hù)。這些設(shè)定都可通過(guò)邏輯編程寫(xiě)入PLC然后再將PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備串聯(lián)在同一電路后發(fā)揮效用。

對(duì)于PLC的選擇需要根據(jù)功能性需求、控制精度要求、線路工作參數(shù)等進(jìn)行選擇，選擇合適型號(hào)的PLC是實(shí)現(xiàn)總線控制目的的第一步；然后再對(duì)PLC進(jìn)行寫(xiě)入，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求對(duì)PLC進(jìn)行統(tǒng)一寫(xiě)入和統(tǒng)一管理，為了便于管理可以選擇統(tǒng)一的語(yǔ)言類(lèi)型、編寫(xiě)邏輯和設(shè)定頻率；此外，合理設(shè)定PLC也是避免總線管理與控制系統(tǒng)故障蔓延弊端的有效思路，在進(jìn)行PLC編寫(xiě)時(shí)我們可以在PLC中盡可能全面地編寫(xiě)故障代碼，以加強(qiáng)PLC對(duì)故障參數(shù)的監(jiān)控與識(shí)別能力，同時(shí)配合專(zhuān)用的故障反饋路線，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)總線控制系統(tǒng)下線路中或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障的快速識(shí)別與鎖定，以避免故障對(duì)整個(gè)電氣系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，同時(shí)也有利于故障檢修效率的提高[7]。

5 上位機(jī)-PLC

總線終端就是整個(gè)總線電氣自動(dòng)化設(shè)備資源管理系統(tǒng)的上位機(jī)，也是整個(gè)控制系統(tǒng)的中央控制系統(tǒng)，終端機(jī)通過(guò)控制PLC形成簇狀控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)垂直的控制與管理。上位機(jī)和PLC的通訊可采用DAServer接口，通過(guò)設(shè)定數(shù)據(jù)交換時(shí)間來(lái)達(dá)到定時(shí)、定量、定向的數(shù)據(jù)交互與指令傳遞。對(duì)于僅需要啟?？刂频暮?jiǎn)單設(shè)備來(lái)說(shuō)，上位機(jī)-PLC的通訊設(shè)定可以適當(dāng)削減通訊協(xié)議，以減少資源占用；對(duì)于具備獨(dú)立控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，上位機(jī)-PLC的通訊設(shè)定可以一切從簡(jiǎn)，這些設(shè)備大多不需要上位機(jī)發(fā)出控制指令，可以通過(guò)接入現(xiàn)場(chǎng)控制線路來(lái)減少資源消耗，對(duì)于此類(lèi)設(shè)備只需要建立必要的監(jiān)控與緊急通訊協(xié)議即可，具體來(lái)說(shuō)就是上位機(jī)可以實(shí)時(shí)獲取此類(lèi)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)以及在緊急時(shí)刻能夠叫停設(shè)備的控制權(quán)限即可；上位機(jī)-PLC通訊協(xié)議中最主要的應(yīng)當(dāng)是那些需要變頻控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，這些設(shè)備具備占用大量資源的必要，對(duì)于此類(lèi)設(shè)備除了常規(guī)的啟?？刂仆?，還應(yīng)當(dāng)建立持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和實(shí)時(shí)控制，當(dāng)然為了提高控制效率以及指令傳達(dá)的效率，可以通過(guò)設(shè)定非等效的雙向通訊協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如上游設(shè)備向下傳遞通訊的時(shí)間設(shè)定為10ms，而下游設(shè)備向上反饋信息的通訊時(shí)間設(shè)定為1000ms，以此來(lái)優(yōu)化資源的利用效率[7]。

6 結(jié)語(yǔ)

一般來(lái)說(shuō)，在電氣自動(dòng)化管理與控制中存在著服務(wù)器，雖然服務(wù)器并非必要單元，但在服務(wù)器可有效提高電氣自動(dòng)化管理的效率。首先，上位機(jī)為總線控制的終端設(shè)備，每日輸出和接收的數(shù)據(jù)與通訊較多，這些數(shù)據(jù)信息在短時(shí)間內(nèi)就可完全占用上位機(jī)的計(jì)算容量和存儲(chǔ)空間，當(dāng)計(jì)算容量降低后上位機(jī)的響應(yīng)速度將會(huì)顯著降低，為了避免這一問(wèn)題發(fā)生，我們科在控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上外接服務(wù)器來(lái)避免這一問(wèn)題，其直接與上位機(jī)連接但不參與到電氣控制與管理中，只負(fù)責(zé)收集并存儲(chǔ)上位機(jī)每日匯總的數(shù)據(jù)與通訊，以便工廠的管理者與技術(shù)人員對(duì)工廠經(jīng)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和調(diào)用。因此服務(wù)器對(duì)于上位機(jī)來(lái)說(shuō)就是外接的存儲(chǔ)空間，用于釋放上位機(jī)每日積累的信息容量，減少上位機(jī)的數(shù)據(jù)冗余，從而有利于上位機(jī)功能的發(fā)揮。此外，在技術(shù)條件允許的情況下，也可建立服務(wù)器-上位機(jī)的雙向通訊協(xié)議，讓上位機(jī)能夠借助服務(wù)器的計(jì)算能力進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總、計(jì)算與分析，以此來(lái)提高上位機(jī)的計(jì)算能力，這對(duì)總線電氣自動(dòng)化設(shè)備資源管理系統(tǒng)運(yùn)行效率的提高具有積極意義，但在應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)前要注意做好來(lái)自服務(wù)器的入侵防控，通過(guò)建立防火墻來(lái)預(yù)防外部侵入盜取生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)信息。